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极简科学课 | 及时准确的洪水预报是怎么实现的

来源:中央纪委国家监委网站 发布时间:2020-07-28 17:35

中央纪委国家监委网站 张祎鑫

  7月27日19时30分左右,长江洪峰逐步通过重庆主城,朝天门水位达到183.26米、超警1.26米,菜园坝达到183.82米、超警1.82米。此次洪峰是今年入汛以来长江上游最大的一次洪水,也是长江干流重庆段今年第一次出现超警水位情况。对于本次洪峰,重庆市预警、应急、救援等部门早已严阵以待,全力确保洪水安全过境,确保安全度汛。有力的应对得益于有效的洪水预报。

  长江寸滩水文站全力开展高洪水文监测及时向政府有关部门提供水情信息。(图片来源长江水文网)

  水利部长江水利委员会水文局7月26日14时正式发布:“长江2020年第3号洪水”在长江上游形成。这是继今年长江第1号洪水、第2号洪水之后,再次就洪峰做出精准预报。精准的洪水预报为主动防御洪水提供有力支撑。那么,洪水精准预报是怎么实现的?如何通过相关模型进行模拟推演的?

  模拟从降雨到洪水形成的过程
  进而对洪水的发展趋势进行预测预报

  由暴雨引起的江河水量迅速增加并伴随水位急剧上升的现象被称为暴雨洪水。我国河流的主要洪水大都是暴雨洪水,多发生在夏、秋季节,南方一些地区春季也可能发生。科研人员通过建立洪水预报系统,模拟从降雨到洪水形成的过程,进而对洪水的发展趋势进行预测预报。天上下多少雨,降雨在地面如何形成径流,径流形成后在坡面和沟道如何运动等,都是洪水预报中需要考虑的因素。

长江实时水情表(截自长江水文网)

  据介绍,根据流域内的降雨数据,水情预报人员可以进行流域产汇流情况预报。然后结合产流计算和汇流计算,进行流域内的降雨径流计算,一般有两种常用方法。一种是采用降雨径流相关图计算净雨,随后再采用单位线等汇流方法计算流域出口断面的径流过程。另一种常用的方法是采用一些完整的水文概念性模型来进行计算,例如常用的有新安江模型、陕北模型等,需要输入的数据主要是降雨数据和前期的土壤含水量数据等。

  据了解,洪水预报模型从实现原理上讲分为水文模型、水动力模型和人工智能预测模型三种。

  其中,水文模型是半经验半物理过程的预测模型,也是目前最常用的一种模型。适用于大流域和中短期的水文预测,预测精度较高。

  水动力模型是严格基于物理过程的水流预测模型,其预测精度是最高的。但水动力模型需要有非常详细的河道地形数据,对于资料不全的地区这种方法就不能发挥作用,此类模型一般适用于重要水库、湖泊和河流的重要河段等水体,不适用于流域尺度。

  人工智能预测模型是目前新兴的一个研究领域,主要用于长期和超长期的洪水预测。由于测量精度不足和误差累积效应,水文模型与水动力模型在中短期预报可以很精准,但是对于长期预报,则可能出现较大偏差。人工智能预测模型正好弥补这一点,其预测精度和输入的历史数据量有关,也就是我们说的“大数据”,数据量越大,人工智能判断将越准确。

  “目前传统的洪水预报方法主要是将水文模型和水动力模型相结合,水文模型做流域预测整体,水动力模型做局部重要水体的细节预测,各取所长,相得益彰。”河海大学水利水电学院金光球教授说。

  利用雨水情报和水文应急监测信息
  提高洪水预报精度,延长预见期

  洪水预报,最关键的是预报精度和预见期。其中,预见期与流域自身特性相关,比如,通常流域面积大、地势平缓的流域预见期长,反之则预见期短。而预报精度的影响因素更多,诸如预报所用模型包括参数的合理性、流域下垫面的复杂程度等。

  长江第3号洪水洪峰通过上游局寸滩水文站,工作人员在进行水文分析预报。(图片来源长江水文网)

  洪水预报模型基本都是先确定好相关参数,然后结合观测到的历史水文资料,对洪水进行预报,这样的预报方案在实时预报时,会不可避免地产生一定误差。为了进一步提高预报精度,预报人员通常利用雨水情报汛和水文应急监测信息,对洪水预报进行实时校正,以尽可能地提高预报精度。比如,目前在华北山前平原区布设了170多个应急监测点,可根据上游监测信息,滚动修正预报,提高下游河道预报精度。在漳河、滹沱河的应用结果表明,这种“以测补报”的技术手段可将洪水预报准确度平均提高10%左右。

  提高洪水预报精度、延长预见期,一直是水文预报人员追求的方向。近年来,水利部采取了有力措施推动水文测报科技发展。据了解,1998年,我国只有3300个报汛站,现在发展到超过12万个;1998年采用电报传送方式,集齐3300个报汛站的信息需要两个小时,而现在借助水情信息交换系统,集齐12万多个报汛站的信息只要10到15分钟;采用气象水文预报耦合、人机交互技术等方法,我国洪水预报精度不断提高,南方主要江河预报准确度能达到90%。

  “目前多源信息融合、数据同化、集合预报、人工智能、大数据、分布式模拟等技术有了长足的发展,未来将进一步应用到洪水预报业务中,提升洪水影响预报和风险预警能力,为水旱灾害防御提供强有力的支撑。”水利部水文水资源监测预报中心副主任刘志雨在接受媒体采访时说。

  *名词解释

  1、产流是指降雨量扣除损失形成净雨的过程。降雨损失包括植物截留、下渗、填洼与蒸发,其中以下渗为主。

  2、汇流是指产流水量在某一范围内的集中过程。降水形成的水流,从它产生的地点向流域出口断面的汇集过程。

  3、径流是指降雨及冰雪融水或者在浇地的时候在重力作用下沿地表或地下流动的水流。降雨径流指由降雨所形成的径流。

  (资料来源:水利部网站、长江水文网、新华日报、科技日报、重庆日报)

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